2016MauricioTonelloVargas

Texto

(1)1. Mauricio Tonello Vargas. DESENVOLVIMENTO DE UM DATA LOGGER APLICADO AO MONITORAMENTO DE ENCOSTAS. Dissertação de Mestrado apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura da Universidade de Passo Fundo, como requisito para obtenção do título de Mestre em Engenharia, sob a orientação do Prof. Dr. Francisco Dalla Rosa, coorientação do Prof. Dr. Adriano Luís Toazza e Márcio Felipe Floss.. Passo Fundo, RS 2016.

(2) 2. Mauricio Tonello Vargas. DESENVOLVIMENTO DE UM DATA LOGGER APLICADO AO MONITORAMENTO DE ENCOSTAS Dissertação de Mestrado apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura da Universidade de Passo Fundo, como requisito para obtenção do título de Mestre em Engenharia, sob a orientação do Prof. Dr. Francisco Dalla Rosa, coorientação do Prof. Dr. Adriano Luís Toazza e Márcio Felipe Floss. Data de aprovação: 29 de abril de 2016. Professor Doutor Francisco Dalla Rosa Orientador Professor Doutor Adriano Luís Toazza Coorientador Professor Doutor Márcio Felipe Floss Coorientador Professor Doutor Rinaldo José Barbosa Pinheiro Universidade Federal de Santa Maria – UFSM Professor Doutor Paulo Sergio Correa Molina Universidade de Passo Fundo – UPF Professor Doutor Antônio Thomé Universidade de Passo Fundo. Passo Fundo, RS 2016.

(3) 3. AGRADECIMENTOS Ao orientador professor Dr. Francisco Dalla Rosa, pela oportunidade de trabalho e convívio, além de sua paciência, apoio e conhecimentos repassados durante o desenvolvimento da dissertação; Ao coorientador professor Dr. Adriano Luís Toazza, pela dedicação do seu tempo e a contribuição de conhecimento ao trabalho; Ao professor e amigo Ms. Rodrigo Siqueira Penz, pelo incentivo desde a graduação e contribuição de conhecimento e continuidade de seu trabalho. A minha esposa Rosângela, pela compreensão nos momentos de ausência, pelo amor, carinho e incentivo recebido; A meu pai Carlos e minha mãe Marli, pela educação, formação e apoio que sempre recebi; Aos meus amigos que sempre foram uma fonte de incentivo para a conclusão deste trabalho, em especial, ao amigo Jean Rigo, por toda ajuda prestada com ideias e soluções. Ao amigo Geison Carlos Reinheimer, pelas horas de trabalho cedidas para a conclusão do Mestrado, bem como à empresa Vision Tech, pela assessoria prestada..

(4) 4. Dedico este trabalho a minha esposa, pais, amigos e colegas, que souberam entender a verdadeira importância deste trabalho..

(5) 5. “Se A é o sucesso, então A é igual a X mais Y mais Z. O trabalho é X; Y é o lazer; e Z é manter a boca fechada.” Albert Einstein.

(6) 6. RESUMO A existência de taludes no meio ambiente, seja natural ou artificial, ressalta a importância de estudos capazes de identificar, melhorar o uso desses, bem como de evitar o movimento de massas de solo que podem causar prejuízos tanto para a natureza quanto para a população. Diante disso, esse estudo buscou abordar a construção de um sistema de baixo custo aplicado ao monitoramento (in situ e a distância) de obras geotécnicas. As informações coletadas pelo sistema proposto são vitais para o gerenciamento de zonas de risco, bem como dar suporte ao monitoramento de encostas, túneis, estruturas de contenção entre outros. Nesse sentido, o estudo visou a utilização de componentes eletrônicos inseridos dentro de sondas engastadas em taludes propensos aos deslizamentos. As tecnologias aplicadas aos sensores de inclinação derivam de sistemas eletromecânicos (MEMS) os quais convertem um movimento mecânico para um sinal eletrônico, o qual deve ser interpretado a fim de gerar uma magnitude que possibilite a avaliação da inclinação. Os dados coletados são transmitidos pela sonda em formato digital para o Data Logger desenvolvido, este realiza a formatação dos dados recebidos de forma organizada para posteriormente arquivar em padrão *.CSV, padrão este, comumente utilizado para arquivos de dados que pode ser visualizado posteriormente por um editor de planilhas como o Excel®. Palavras – chave: Obras geotécnicas, Monitoramento, Sondas, MEMS, Data Logger, CSV..

(7) 7. ABSTRACT The existence of slopes in the environment, whether natural or artificial, emphasizes the importance of studies to identify, improve their use, as well as to prevent the movement of masses of soil that can damage both nature and the population. Therefore, this study aimed to address the construction of a low cost system applied to the monitoring (in situ and in distance) of geotechnical works. The information acquired by this system is vital to the management of risk areas, and to support monitoring of slopes, tunnels, retaining structures and others. Hence, the study focused on the use of electronic components inserted into incased probes on slopes prone to landslides. The technologies applied to the inclination sensor derived from electromechanical systems (MEMS) that convert a mechanical movement into an electronic signal, which must be interpreted in order to generate a magnitude that enables the assessment of the slope. The collected data must be transmitted by the probe digitally for the developed Data Logger, which will carry out the transcription of the received data in an organized way for later archiving in standard *.CSV, commonly used for data files that can later be viewed by a spreadsheet program like Excel®. Keywords: Geotechnical Works, Monitoring, Probes, MEMS, Data Logger, CSV.

(8) 8. LISTA DE FIGURAS Figura 1. Danos humanos por tipo de evento de desastre – 2013................................. 21 Figura 2. Percentual de Municípios Atingidos por Tipo de Evento – 2013. ................ 21 Figura 3. Óbitos por Tipo de Desastre – 2013. ............................................................. 22 Figura 4. Características de um talude. ......................................................................... 23 Figura 5. Tipos de rupturas de taludes. ......................................................................... 23 Figura 6. Distribuição Temporal dos Desastres Vinculados a Movimentos de Massa zpor Macrorregião (2012). ............................................................................................ 25 Figura 7. Distribuição por Estado dos Desastres Vinculados a Movimentos de Massa (2012). ........................................................................................................................... 25 Figura 8. Distribuição Temporal dos Desastres nas Macrorregiões Vinculados aos ... 26 Figura 9. Distribuição por Estado dos Desastres Vinculados a Movimentos de Massa. ...................................................................................................................................... 26 Figura 10. Modelo da sonda descrita por Machan; Bennet. ......................................... 30 Figura 11. Estrutura geral do sistema de sensoriamento. ............................................. 31 Figura 12. Sonda utilizada e desenvolvida por Penz. ................................................... 32 Figura 13. Comparativo entre sonda desenvolvida por Penz (2013) e sondas comerciais ..................................................................................................................... 33 Figura 14. Inclinômetro reconstruído do modelo de Da Vinci. .................................... 34 Figura 15. SCA100T inclinômetro de eixo duplo MEMS. ........................................... 34 Figura 16. Diagrama em blocos do funcionamento do SCA100T................................ 36 Figura 17. Comparativo entre inclinação e sinais eletrônicos emitidos. ...................... 37 Figura 18. Modelo de um sistema de aquisição de dados. ............................................ 38 Figura 19. Microcontrolador. ........................................................................................ 39 Figura 20. Conexão entre Mestre e Escravo ................................................................. 41 Figura 21. Circuito base MAX232 ............................................................................... 42 Figura 22. Módulo de comunicação serial ZigBee. ...................................................... 44 Figura 23. Rede de dados GPRS................................................................................... 45 Figura 24. Módulo GPRS SIM900. .............................................................................. 46 Figura 25. Diagrama de blocos da execução do projeto. .............................................. 47 Figura 26. Diagrama de blocos dos módulos da sonda. ............................................... 48 Figura 27. Esboço do teste realizado. ........................................................................... 49.

(9) 9. Figura 28. Placa para teste elétrico do MCU e comunicação serial. ............................ 50 Figura 29. Projeto e teste da placa CPU. ...................................................................... 51 Figura 30. Simulação do circuito USART. ................................................................... 52 Figura 31. Montagem do circuito USART na PCB. ..................................................... 52 Figura 32. Diagrama em blocos SD Card. .................................................................... 54 Figura 33. Formato dos 48 bits para o SD Card. .......................................................... 55 Figura 34. Template Boot Sector. ................................................................................. 56 Figura 35. Template Root Directory. ............................................................................ 57 Figura 36. Simulação da comunicação serial SPI do SD Card. .................................... 58 Figura 37. Circuito teste simulado e circuito realizado do SD Card. ........................... 58 Figura 38. Verificação da comunicação entre o MCU e o SD Card. ............................ 59 Figura 39. Placa auxiliar com CPU inserida. ................................................................ 60 Figura 40. Teste do LCD. ............................................................................................. 61 Figura 41. Circuito utilizado para acionamento do LCD.............................................. 62 Figura 42. Modelo do arquivo salvo em CSV aberto via Excel. .................................. 63 Figura 43. Arquivo padrão no formato *CSV. ............................................................. 63 Figura 44. Fluxograma do código teste. ....................................................................... 65 Figura 45. Terminal contendo os dados recebidos da sonda. ....................................... 66 Figura 46. Circuito de entrada digital. .......................................................................... 68 Figura 47. Circuito de entrada analógica. ..................................................................... 68 Figura 48. Circuito de saída com controle de corrente. ................................................ 69 Figura 49. Circuito da Ponte H. .................................................................................... 70 Figura 50. Modelo de pluviômetro basculante. ............................................................ 71 Figura 51. Sensor de temperatura NTC. ....................................................................... 72 Figura 52. Sensor de luminosidade LDR. ..................................................................... 72 Figura 53. Sensor de umidade do solo. ......................................................................... 72 Figura 54. Imagem térmica com carga resistiva. .......................................................... 73 Figura 55. Imagem térmica com carga em curto-circuto .............................................. 74 Figura 56. Dados ensaiados para o eixo X. .................................................................. 75 Figura 57. Dados ensaiados para o eixo Y. .................................................................. 75 Figura 58. Cálculo do desvio padrão, da distribuição t e do intervalo de confiança do eixo X............................................................................................................................ 76 Figura 59. Curva de resposta da média dos valores recebidos quando o eixo X <90º. 77 Figura 60. Curva de resposta da média dos valores recebidos quando o eixo X >90º. 77.

(10) 10. Figura 61. Cálculo do desvio padrão, da distribuição t e do intervalo de confiança do eixo Y............................................................................................................................ 78 Figura 62. Curva de resposta da média dos valores recebidos quando o eixo Y <90º. 79 Figura 63. Curva de resposta da média dos valores recebidos quando o eixo Y >90º. 79 Figura 64. Resposta do ângulo com e sem ajuste de offset para o eixo X. ................... 80 Figura 65. Resposta do ângulo com e sem ajuste de offset para o eixo Y. ................... 80 Figura 66. Gráfico do erro por metro excursionado. .................................................... 81 Figura 67. Forma de onda da comunicação do MCU com o SD Card. ........................ 82 Figura 68. Verificação manual do retorno ao comando CMD9. .................................. 83 Figura 69. Terminal de visualização dos cluster. ......................................................... 84 Figura 70. Imagem do SD Card inserido no PC. .......................................................... 85 Figura 71. Arquivo gerado pelo Data Logger com os dados recebidos pela sonda salvos em *.TXT. .......................................................................................................... 86 Figura 72. Arquivo gerado pelo Data Logger com os dados recebidos pela sonda salvos em *.CSV abertos via Excel®. .......................................................................... 87.

(11) 11. LISTA DE TABELAS Tabela 1. Movimentos de massa - Grau de risco do processo em função do valor da movimentação. .............................................................................................................. 24 Tabela 2. Características do sensor SCA100T. ............................................................ 35 Tabela 3. Características do PIC18F87K22. ................................................................. 40 Tabela 4. Características do Módulo ZigBee (XBee). ................................................... 44 Tabela 5. Características do módulo GPRS (SIM900) ................................................. 45 Tabela 6. Condições de operação do barramento SPI. ................................................. 55 Tabela 7. Estimativa do deslocamento superficial. ...................................................... 81.

(12) 12. SIGLAS A – Ampère EIA – Aliança das Indústrias Eletrônicas ITU – União Internacional de Telecomunicações SMD – Surface Mount Device A/D – Analógico para Digital ABGE – Associação Brasileira de Geologia de Engenharia ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ANSI – American National Standarts Institute Bps – Bits por Segundo BW – Bandwidth CI – Circuito Integrado CKP – Clock Polarity CSV – Comma Separated Value dB – Decibel EEPROM – Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory FDC – fonte, driver e controle GNSS – Global Navigation Satellite System GPRS – General Packet Radio Service GSM – Global System for Mobile Hz – Hertz IHM – Interface Homem Máquina INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais IP – Internet Protocol INSAR – Interferometric Synthetic Aperture Radar LVTTL – Low Voltage Transistor-Transistor Logic MANET – Mobile Ad Hoc Network MCU – Micro Controller Unit MEMS – Micro-Electro-Mechanical Systems MERCOSUL – Mercado Comum do Sul N – Newton NBR – Norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas.

(13) 13. Nibble – Número binário de 4 bits, fração de um byte OTDR – Optical Time Domain Reflectometry PCB – Printed Circuit Board PTH – Pin Through Hole RC – Resistor e Capacitor RSSF – Redes de Sensores Sem Fio RTCC – Real-Time Clock/Calendar SAA – Shape Accelerat Array SADi – Sistema de Aquisição de Dados de Inclinação SAR – Synthetic Aperture Radar SD – Secure Digital SMT – Surfaced Mount Technology SPBRG – Baud Rate Generator SPI – Serial Peripheral Interface SSPM – Master Synchronous Serial Port Mode TCP – Transmission Control Protocol TDR – Time Domain Reflectometry TIA – Associação das Indústrias de Telecomunicações TTL – Transistor-Transistor Logic USART – Universal Asynchronous Receiver or Transmitter V – Volts VGS(th) – Gate Threshold Voltage W – Watts.

(14) 14. SUMÁRIO 1.. INTRODUÇÃO ............................................................................................ 16 1.1 Considerações Iniciais ...................................................................................... 16 1.2 Justificativa ....................................................................................................... 17 1.3 Objetivos........................................................................................................... 18 1.3.1. Objetivo Geral .......................................................................................... 18. 1.3.2. Objetivos Específicos ............................................................................... 18. 1.4 Estrutura da dissertação .................................................................................... 19 2.. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................... 20 2.1 Desastres Naturais ............................................................................................ 20 2.2 Taludes ............................................................................................................. 22 2.2.1. Estabilidade de Taludes ................................................................................ 23. 2.3 Métodos de instrumentação e monitoramento em obras geotécnicas............... 27 2.4 Instrumentação com inclinômetros verticais utilizando MEMS ...................... 29 2.5 Características da sonda Utilizada .................................................................... 31 2.6 Inclinômetro Digital ......................................................................................... 34 2.7 Sistema de Aquisição e Tratamento de Dados (Data Logger) ......................... 38 2.8 Microcontrolador do Data Logger ................................................................... 39 2.9 Comunicação serial........................................................................................... 40 2.10. Sistema de Comunicação sem Fio entre as Sondas ...................................... 43. 2.11. Transmissão dos Dados via GPRS ............................................................... 44. 3.. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ................................................. 47 3.1 Tipo da Pesquisa ............................................................................................... 47 3.2 Metodologia da Pesquisa .................................................................................. 47. 4.. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE MONITORAMENTO ........... 50 4.1 Montagem experimental do MCU .................................................................... 50 4.2 Comunicação serial USART ............................................................................ 51 4.3 Mídia de armazenagem de dados (SD Card) .................................................... 53 4.3.1. Características eletrônicas do SD Card .................................................... 54. 4.3.2. Comunicação entre o SD Card e o microcontrolador ............................... 55. 4.4 Comunicação serial SPI entre o MCU e o SD Card ......................................... 57 4.5 Desenvolvimento da PCB do Data Logger ...................................................... 60.

(15) 15. 4.6 Display LCD ..................................................................................................... 61 4.7 Método para armazenagem dos dados em cartão de memória – Data Logger. 62 4.8 Comunicação entre a sonda e o Data Logger ................................................... 64 4.9 Interface de entradas e saídas digitais e analógicas .......................................... 67 4.10 5.. Hardware para a movimentação automática da sonda.................................. 70 RESULTADOS OBTIDOS .......................................................................... 71. 5.1 Ensaio do circuito de entradas digitais e analógicas......................................... 71 5.2 Ensaio do circuito de limitação de corrente nas saídas de potência ................. 73 5.3 Ensaio da comunicação serial USART entre a sonda e o Data Logger ........... 74 5.4 Avaliação dos resultados dos ângulos direto e transversal da sonda ................ 75 5.5 Ensaio do circuito de comunicação serial SPI entre o SD Card e o Data Logger 82 5.6 Verificação do arquivamento dos ângulos recebidos da sonda em arquivo CSV 84 6.. CONCLUSÃO E SUGESTÕES DE CONTINUIDADE ............................. 88 6.1 Conclusão ......................................................................................................... 88 6.2 Sugestões de continuidade ................................................................................ 89. 7.. REFERÊNCIAS BIBIOGRÁFICAS ............................................................ 91.

(16) 16. 1.. INTRODUÇÃO. 1.1. Considerações Iniciais De acordo com a Defesa Civil, nos ambientes urbanos, que abrigam a grande maioria. da população brasileira, as inundações, enxurradas e os deslizamentos de solo ou rocha constituem-se nos eventos que causam os maiores impactos na sociedade. Portanto, estudos referentes a esses eventos, principalmente os relacionados à escorregamentos de massa, como por exemplo, os ocorridos no Peru (Huaraz, 1941), na China (Hong Kong, 1948 e Gansu, 2010), no Tadjiquistão (Khait,1949), no Japão (Schigueto, 1972), na Venezuela (Vargas, 1999), na Itália (Maierato, 2010), na Índia (Estado de Uttarakhand, 2013) e no Brasil, tais como em Santa Catarina (Blumenau, 2008), Rio de Janeiro (Angra dos Reis, 2010 e região serrana, 2011) e em Minas Gerais (Mariana, 2015), estão cada vez mais presentes, uma vez que o aumento populacional e consequentemente, o aumento das cidades, fazem o homem procurar por novos locais de moradia e, na maioria das vezes, altera o espaço – natural e geográfico – do ambiente em que vive. Estudos como os de Noferini et al. (2007), Soler et al. (2013), Mishra et al. (2011), Cardozo et al. (2004), França (1997), buscam melhores soluções para evitar acidentes, principalmente os deslizamentos causados nos últimos anos, devido às mudanças climáticas. Percebeu-se que estas acabaram influenciando nas estruturas do solo, as quais tiveram grandes impactos gerando desastres que acabaram afetando várias pessoas em virtude, principalmente, das enxurradas, que resultaram em desmoronamento de taludes e encostas de barragens. Segundo a Associação Brasileira de Geologia de Engenharia (ABGE, 1998), a execução de cortes nos maciços pode condicionar movimentos de massa ou, mais especificamente, escorregamento de taludes, desde que as tensões cisalhantes ultrapassem a resistência ao cisalhamento dos materiais, ao longo de uma determinada superfície de ruptura. Assim, a utilização de técnicas de monitoramento geotécnico para a verificação do deslocamento de massas de terra é extensivamente utilizada via sensores para uso geotécnico (Ramesh, 2012; Pei et al., 2014; Rahardjo et al., 2014; Lin e Tang, 2005; Ding et al., 2000), que realizam o monitoramento de encostas – através de sondas –, sendo os principais sensores extensômetros, inclinômetros, piezômetros, medidores de tensão, células de pressão, geofones, entre outros..

(17) 17. A maioria dos equipamentos aplicados à geotécnica podem armazenar os dados medidos em sua memória interna. Esses equipamentos aguardam o download via mídias digitais ou as medições podem ser digitalmente guardadas em um computador de forma automática, essenciais para o monitoramento de deslocamentos. Alguns Estados mais afetados pelos escorregamentos de massa, como Minas Gerais e Rio de Janeiro, vêm realizando e/ou exigindo estudos sobre a aplicação de sistemas de monitoramentos de obras geotécnicas para mitigar os impactos por eles gerados. Os inclinômetros são instrumentos instalados em sondas, as quais percorrem um caminho pré-definido pela inserção de invólucros em perfurações na massa de deslizamento de terra. Essa perfuração recebe um tubo, o qual sob as ações de movimentação do maciço resultam na flexão do tubo, sendo essa detectada então através da excursão de uma sonda com um inclinômetro. Além disso, a sonda pode detectar aproximadamente a profundidade da superfície de deslizamento, e consequentemente uma estimativa da massa de solo envolvida no processo de deslizamento. Aliado a esse sistema, sensores de medição da umidade do solo, pluviômetros, entre outros podem complementar todas as informações necessárias ao monitoramento de áreas de risco.. 1.2. Justificativa Nos últimos anos, tem sido observada uma incidência maior de acontecimentos. ligados a movimentos de massa, como demonstrado por Soler et al. (2013) quando se refere aos ocorridos no Brasil, Rahardjo et al. (2014) na Ásia e Noferini et al. (2007) ao noroeste da Itália, onde os movimentos de massa são caracterizados pelo desprendimento do solo decorrentes de inúmeras causas, que vão desde os naturais até a ação do homem na natureza. A instabilidade desses maciços em diferentes regiões do nosso país caracteriza-se como uma das principais preocupações decorrentes dos desastres naturais, que vem se agravando, principalmente, pelas mudanças climáticas recentes causando grandes danos à população que vivem em regiões dominadas pelo homem que não estavam sujeitas e/ou preparadas para a sua fixação. A necessidade de estudos referentes a estes acontecimentos, tanto em âmbito político, quanto em âmbito acadêmico, coloca-se de extrema importância para a sociedade, em virtude da necessidade de uma maior identificação de áreas de riscos, que estejam sob o monitoramento da movimentação das massas a fim de prevenir futuros desastres..

(18) 18. O uso de equipamentos que realizam o monitoramento de obras geotécnicas produzidos nacionalmente é escasso em no país, quando comparado a outros que detêm uma política de combate e prevenção. Visando a melhoria acerca de estudos referentes ao solo, é que se busca uma maneira de melhorar os equipamentos que detectam as instabilidades do solo a fim de evitar maiores danos causados por desastres naturais que afetem estas estruturas. Nesse contexto, o desenvolvimento de sistemas de monitoramento de obras geotécnicas apresenta grande potencial no país, uma vez que grande parte dos sistemas atualmente disponíveis é importada, o que acaba determinando um alto custo de implantação. Nesse sentido, o presente estudo propõe o desenvolvimento de uma unidade de monitoramento de encostas, e que seja capaz de realizar o armazenamento em meio digital por através da utilização de cartões de memória e/ou enviá-los via sistema de radiofrequência.. 1.3. Objetivos. 1.3.1 Objetivo Geral Desenvolver um sistema de monitoramento de obras geotécnicas capaz de detectar as instabilidades do solo, através do uso de inclinômetro desenvolvido por Penz (2013) além de desenvolver um hardware para armazenamento de dados em cartão de memória para posterior avaliação.. 1.3.2 Objetivos Específicos Os objetivos específicos são descritos a seguir: x. Realizar a composição de um circuito eletrônico protótipo capaz de realizar a leitura da inclinação da sonda e outros sensores com saídas analógicas, como umidade do solo, umidade do ar, temperatura e pluviosidade.. x. Adicionar ao protótipo um circuito capaz de realizar a formatação e posteriormente arquivar os dados recebidos da sonda. (Data Logger) disponibilizando as informações em cartões do tipo SD Card..

(19) 19. 1.4. Estrutura da dissertação Esta dissertação encontra-se organizada em seis capítulos. O capítulo 1 trata da introdução ao tema proposto pelo trabalho, além de apresentar a. justificativa e os objetivos da pesquisa. O capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica sobre os principais temas utilizados na pesquisa, visando o embasamento teórico conceitual do assunto em discussão. O capítulo 3 aborda os procedimentos e métodos adotados para o desenvolvimento do Data Logger proposto além de realizar o embasamento teórico para as melhorias propostas. O capítulo 4 aborda o desenvolvimento do sistema de aquisição de dados proposto, demonstrando o projeto, as montagens e o procedimento de calibração. No capítulo 5 encontram-se os resultados obtidos oriundos dos dados recebidos da sonda proposta, funcionamento do SD Card, avaliações de funcionamento das entradas e saídas disponíveis no Data Logger desenvolvido. No capítulo 6 é apresentada a conclusão e as sugestões para trabalhos futuros..

(20) 20. 2.. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Desastres Naturais O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) define desastres naturais, quando. na natureza ocorrem diversos tipos de fenômenos que fazem parte da geodinâmica terrestre, responsáveis pela estruturação da paisagem. Mas, se ocorrerem ou se deslocarem sobre um sistema social, gera uma situação potencial de risco a pessoas e bens. Caso haja o impacto, só será considerado como desastre quando os danos e prejuízos foram extensivos e de difícil superação pelas comunidades afetadas. Se não gerar danos ou seguir sua trajetória por áreas não ocupadas, o fenômeno volta a ser considerado como evento anual. No Brasil, após a constatação de que este evento é determinado como desastre, a Secretaria Nacional de Defesa Civil, analisa-os e publica os dados através do Anuário Brasileiro de Desastres Naturais, sendo o último publicado em 2014, com dados de 2013. Os dados coletados formam um perfil de ocorrências que auxiliam no planejamento e gerenciamento com o intuito de definir medidas de prevenção, de modo a evitar ou minimizar os impactos causados por eles. Caracterizando os chamados eventos extremos, o Anuário Brasileiro de Desastres Naturais de 2014 traz os seguintes dados: a região Sul frequentemente é afetada por alagamentos, inundações bruscas e graduais, escorregamentos, estiagens, vendavais, tornados, nevoeiros e ressacas; na região Sudeste as principais ameaças são chuvas intensas, vendavais, granizos, geadas e friagens, secas, baixa umidade do ar e nevoeiros, bem como grande vulnerabilidade a inundações, alagamentos e enxurradas, e também secas mais severas; a região Centro-Oeste apresenta inundações, alagamentos e secas, além de incêndios florestais; já na região Norte, as inundações vêm também acompanhadas por problemas de estiagens severas; e, na região Nordeste, há a ocorrência de secas frequentes e intensas, bem como por inundações bruscas, deslizamentos e alagamentos. De acordo com o Anuário de 2014, no ano de 2013, foram oficialmente reportados 493 desastres naturais, os quais causaram 183 óbitos e afetaram 18.557.233 pessoas, como demonstra a Figura 1..

(21) 21. Figura 1. Danos humanos por tipo de evento de desastre – 2013.. Fonte: Anuário Brasileiro de Desastres Naturais – 2014.. Uma correlação mais elaborada foi realizada apontando que do total de municípios afetados pelos desastres, a maioria (70,99%) foi resultado das secas ou estiagens, conforme mostrado na Figura 2. Figura 2. Percentual de Municípios Atingidos por Tipo de Evento – 2013.. Fonte: Anuário Brasileiro de Desastres Naturais – 2014..

(22) 22. No entanto, observa-se que mesmo a estiagem sendo o principal agente causador de desastres, o movimento de massa e enxurradas são os maiores detentores de óbitos no país, como pode ser verificado na Figura 3. Figura 3. Óbitos por Tipo de Desastre – 2013.. Fonte: Anuário Brasileiro de Desastres Naturais – 2014. Assim, caracteriza-se a necessidade de estudos relacionados ao desenvolvimento de sistemas que possibilitem a exclusão ou a diminuição dos principais agentes causadores de desastres naturais, em especial aos movimentos de massa, principal objeto de estudo deste trabalho.. 2.2 Taludes Os taludes são caracterizados por apresentarem na sua geometria, uma superfície inclinada. Essa pode separar um maciço terroso ou rochoso (MENEZES, 2003). A Figura 4 ilustra a composição de um talude, onde é possível visualizar as três principais características: a crista, o talude em si e o pé. Observa-se também a existência de um ângulo entre o plano vertical e outro horizontal..

(23) 23. Figura 4. Características de um talude.. Fonte: http://dc244.4shared.com/doc/-7a9xuwa/preview_html_m5c7717ad.jpg. Acesso em 15 nov. 2013. Os taludes podem ser classificados como artificiais ou naturais. Os taludes artificiais são geralmente oriundos de escavações ou de aterros gerados pela ação do homem. Os naturais, como o próprio nome sinaliza, são oriundos das ações geomorfológicas que ocorrem ao longo do tempo.. 2.2.1. Estabilidade de Taludes. A ruptura de um talude é geralmente, analisada como o deslizamento de uma porção do mesmo em relação ao restante do maciço, ao longo de uma superfície de ruptura (deslizamento) bem definida (MANUAL DE GEOTECNIA, 1991). As forças gravitacionais e do escoamento tentem a causar instabilidade em taludes naturais, em taludes formados por escavações e em taludes de barragens. Os tipos mais importantes de rupturas de taludes são apresentados na Figura 5 (CRAIG, 2004). Figura 5. Tipos de rupturas de taludes.. Fonte: CRAIG (2004)..

(24) 24. x. Deslizamentos rotacionais: Esta forma de ruptura da superfície pode ser um arco circular ou uma curva não circular. Geralmente estes deslizamentos circulares estão associados a condições homogêneas e isotrópicas do solo. Já os deslizamentos não circulares associam-se a condições não homogêneas.. x. Deslizamentos translacionais: Tendem a ocorrer onde o extrato adjacente está em uma profundidade geralmente pequena abaixo da superfície do talude e a superfície de ruptura tende a ser plana e aproximadamente paralela ao talude.. x. Deslizamentos compostos: Ocorre geralmente onde o extrato adjacente está localizado em profundidades maiores. Neste caso a superfície de ruptura consiste em seções curvas e planas.. Conforme a norma NBR 11682, os valores limites dos deslocamentos e a velocidade destes para a determinação de riscos para as estruturas na região Sudeste são demonstrados na Tabela 1. Para as demais regiões, devem ser adaptados em função da experiência regional. Tabela 1. Movimentos de massa - Grau de risco do processo em função do valor da movimentação. Grau de risco Alto Médio Baixo. Deslocamento Deslocamento Velocidade média horizontal cm vertical cm horizontal mm/dia > 20 5 a 20 <5. > 10 2 a 10 <2. > 20 1 a 20 <1. Velocidade média vertical mm/dia > 20 1 a 20 <1. Fonte: NBR 11682 (1991) adaptada.. No ano de 2013, o Anuário Brasileiro de Desastres Naturais analisou os movimentos de massa correspondentes ao ano de 2012. Nesse período avaliado apontou-se 37 desastres registrados, distribuídos conforme a Figura 6..

(25) 25. Figura 6. Distribuição Temporal dos Desastres Vinculados a Movimentos de Massa por Macrorregião (2012).. Fonte: Anuário Brasileiro de Desastres Naturais – 2013.. A Figura 7 mostra que, das ocorrências identificadas, quase 60% estão localizadas no Estado de Minas Gerais, aproximadamente 19% no Rio de janeiro, 8% no Espírito Santo, 5,4% em São Paulo e as restantes distribuídas entre os Estados do Acre, Mato Grosso do Sul e Paraná (ANUÁRIO, 2013). Figura 7. Distribuição por Estado dos Desastres Vinculados a Movimentos de Massa (2012).. Fonte: Anuário Brasileiro de Desastres Naturais – 2013.. Em contrapartida, o Anuário Brasileiro de Desastres Naturais de 2014 faz um panorama dos incidentes envolvendo movimentos de massa no Brasil ocorridos no ano de.

(26) 26. 2013. Constatou-se que esse tipo de ocorrência é frequente, podendo verificar na Figura 8 a distribuição dos 39 casos distribuídos por Estados. Figura 8. Distribuição Temporal dos Desastres nas Macrorregiões Vinculados aos Movimentos de Massa (2013).. Fonte: Anuário Brasileiro de Desastres Naturais – 2014. A Figura 9 demonstra que a maior incidência ocorreu no Estado de Minas Gerais. No ano de 2013, dos 39 desastres registrados no país, 22 localizaram-se no Estado, compreendendo 53% da totalização, sendo ainda 9 registrados no Estado do Rio de Janeiro (ANUÁRIO, 2014). Figura 9. Distribuição por Estado dos Desastres Vinculados a Movimentos de Massa.. Fonte: Anuário Brasileiro de Desastres Naturais – 2014..

(27) 27. Fazendo um comparativo entre os dois últimos anuários publicados em 2013 e 2014, constata-se que em 2014 os movimentos de massa já passam a considerados frequentes no país, visto que ocorreu um aumento próximo de 6%. Percebeu-se que as maiores incidências ocorrem em janeiro para o ano de 2012 e, dezembro para o ano de 2013. Verifica-se ainda, que o Estado mais afetado em ambos os anos é Minas Gerais e que as incidências ficaram praticamente inalteradas, na faixa de 22 registros anuais, o que justifica a afirmação documentada no Anuário de 2014, que considera quantitativamente a tendência verificada no ano de 2012.. 2.3 Métodos de instrumentação e monitoramento em obras geotécnicas Os métodos utilizados para a o monitoramento em obras geotécnicas devem ser capazes de relatar o comportamento dinâmico da obra a ser avaliada. Conforme Pinheiro (2000), citado por Eisenberger (2003), algumas das possibilidades para a utilização de sistemas instrumentados podem ser listados como: • Determinação da forma da superfície de ruptura e sua profundidade • Determinação de movimentos verticais e horizontais da massa instável • Determinação da velocidade do movimento • Monitoramento da estabilidade de taludes naturais e escavados devido a atividades de construção ou precipitação • Monitoramento das poro-pressões e níveis d’água • Monitoramento da eficácia de medidas de controle (contenção, drenagem, etc.) • Fornecer um sistema de alerta remoto contra possíveis desastres Segundo Saito (1965), citado por Guidicini e Nieble (1984), o movimento da massa instável, geralmente será gradativamente acelerado até atingir o ponto de ruptura. Isto faz com que a instrumentação possa ser bastante útil na previsão de escorregamentos. O planejamento adequado para uma instrumentação de um escorregamento, segundo Wilson e Mikkelsen (1978), consiste em quatro etapas: Determinar os tipos de medidas que são necessárias x. Selecionar os tipos de instrumentos que melhor se enquadram nas medidas exigidas. x. Plano de localização, número e profundidade da instrumentação. x. Desenvolvimento de técnicas de registro.

(28) 28. Agregando à mesma linha, Nescieruk (2007) descreve que, uma característica fundamental de sistemas de supervisão está no monitorando dos parâmetros causais de inclinação instabilidade. Desta forma, a implementação da tarefa de investigação para compreender deslizamentos de terra, exigem: x. Obter dados de parâmetros físicos e mecânicos de faixas dentro do deslizamento de terra; os dados devem incluir a força dos parâmetros para a determinação da estabilidade de encostas. x. Localizar o curso da superfície de deslizamento ativa. x. Determinar as condições hidrogeológicas dentro do deslizamento de terra Determinar o nível de superfície dinâmica de deslocamentos na base de monitoramento geodésica de superfície. x. Determinar o nível dinâmico da profundidade dos movimentos com base no monitoramento do subsolo (Migoń, 2009; Neserciuk et al, 2007). Dunnicliff (1988) informa que todos os equipamentos empregados em um. monitoramento devem ser escolhidos e instalados para responder a uma questão específica. Se não há questão a ser respondida, não deve haver instrumentação. Os tipos de instrumentação mais utilizados nos estudos de taludes são divididos pelos parâmetros avaliados conforme Augusto Filho e Virgili (1998). Assim, os utilizados para a avaliação de deslocamentos e recalques podem ser listados como: marcos superficiais, prismas óticos, extensômetros (haste e fios), fissurômetros, medidores de recalque e indicadores de movimentações em profundidade. Seguindo a lógica dos autores, para a avaliação de cargas e tensões totais, utiliza-se os instrumentos de células de carga em tirantes e células de pressão total respectivamente. Para detecção de pressões d’água, utiliza-se piezômetros (tipo Casagrande, de máxima, hidráulicos e elétricos) e tensiômetros (pressões negativas e de sucção). Para finalizar, os equipamentos utilizados para detecção de vazões d’água são utilizados hidrômetros, vertedouros e recipientes. De acordo com Toś et al. (2006) e Wolski (2006) citado por Ćmielewski et al. (2013) os métodos de monitoramento superficial clássicos e GNSS, sensoriamento remoto (imagens de satélite, fotogramétrico, SAR / InSAR, de escaneamento territorial à laser, escaneamento territorial à laser com uso de aviões), métodos físicos (extensômetros, strain gauges, antenas) e métodos de medição das condições meteorológicas (umidade, termômetros, medidores de.

(29) 29. pressão, higrômetros). Os métodos para acompanhar os movimentos profundos são: inclinômetros, sensores TDR, 3Dmems (ABDOUN et al, 2005), piezômetros, sensores de poros pressão, tomografia elétrica de resistividade e radar de penetração no solo. Além disso, é necessário executar a perfuração geotécnica para analisar o escorregamento do solo. (BEDNARCZYK, 2007). Existe ainda, uma variação dos sensores TDR. Segundo Higuchi et al. (2005), esta variação refere-se ao método OTDR (Optical Time Domain Reflectometry), que mede a quantidade de perda de luz e identifica onde a perda ocorre na fibra óptica. O mecanismo funciona através da detecção da quantidade de retrodifusão de luz e a análise do domínio do tempo da luz refletida quando a fibra óptica é dobrada por algum motivo. Normalmente, OTDR é utilizado para a gestão de redes de fibra óptica, bem como a produção e o controle de fibra óptica. No estudo realizado por Higuchi et al. (2005) dispõe do sensor OTDR para detectar e monitorizar o deslocamento do escorregamento que provoca um desalinhamento da fibra óptica. Os sensores são instalados em uma linha semelhante de extensômetros convencionais, permitindo assim a medição da quantidade de deslocamento para os intervalos entre elas.. 2.4 Instrumentação com inclinômetros verticais utilizando MEMS A deformação do solo e o nível de água subterrânea estão entre os mais comuns parâmetros de monitorização geotécnica. Ao longo dos últimos vinte anos, foram feitos na área de tecnologia de instrumentação, desenvolvimentos utilizando transdutores eletrônicos, de comunicação sem fio e sistemas automáticos de aquisição de dados. (DUNNICLIFF; GREEN, 1993). Inclinômetros verticais são instrumentos de medição de deslocamentos horizontais relativos, que afetam a forma de um invólucro de guia incorporado no solo ou estrutura. Sondas com inclinômetros geralmente medem o deslocamento em dois planos perpendiculares entre si e, portanto, magnitudes de deslocamento e direções (vetores) podem ser calculadas. O deslocamento relativo ao longo do tempo é determinado através da repetição das medições nas mesmas profundidades e comparando os conjuntos de dados (MANUAL DE GEOTECNIA, 1991). A sonda com inclinômetros e servo-acelerômetros, que foi introduzida para a indústria em 1969, é o modelo de instrumento mais comumente utilizado. O tipo de inclinômetro geralmente utilizado é uma sonda de deslocamento, que é inserido em um invólucro até a.

(30) 30. profundidade total, utilizado para obter a inclinação em intervalos predeterminados de tempo para desenvolver um perfil contínuo da forma da inclinação. A evolução da sonda com inclinômetro utilizando sensores micro-eletro-mecânicos de estado sólido (MEMS) recentemente foi introduzida para a realização destas medições (MACHAN, BENNETT, 2008). A descrição do seu funcionamento parte da formação de uma matriz de acelerômetros denominada SAA (Shape Accelerat Array). Este sistema usa acelerômetros MEMS (MicroElectro-Mechanical Systems) posicionados no comprimento de uma haste, em segmentos rígidos ligados por juntas de compostos que impedem a torção, mas permitem flexibilidade em dois graus de liberdade conforme a Figura 10. Uma vez que cada segmento do SAA contém três sensores ortogonais, as matrizes podem ser instaladas na vertical ou na horizontal. Figura 10. Modelo da sonda descrita por Machan; Bennet.. Fonte: MACHAN; BENNET (2008).. Não deve existir a necessidade da predefinição de uma sonda para cada aplicação, existe sim, apenas a necessidade da informação do software se as sondas estiverem na horizontal ou na vertical. Cada um dos sensores tem uma saída que é o seno do ângulo de inclinação ao longo de um intervalo de 360 graus. As matrizes de sensores estão interligadas ao sistema de tratamento de sinal por um cabo, o qual será posicionado juntamente com a sonda dentro de um invólucro. A forma inicial da instalação, ou o desvio absoluto da instalação a partir de uma linha horizontal ou vertical virtual, podem ser visualizados de imediato em um computador e definido como posição inicial. A Figura 11 demonstra, de forma sucinta, a estrutura estudada para a realização deste projeto, onde se pode destacar a sonda como sendo o elemento sensor, o cabo de.

(31) 31. intercomunicação entre a sonda e a unidade de aquisição de dados, além do demonstrativo da forma de mensuração das informações do ângulo de inclinação. Figura 11. Estrutura geral do sistema de sensoriamento.. Fonte: MACHAN, BENNET (2008), adaptada.. 2.5 Características da sonda Utilizada A sonda utilizada para a experimentação junto ao sistema desenvolvido é a mesma desenvolvida por Penz (2013), demonstrada na Figura 12. A sonda caracteriza-se pelo transdutor de inclinação a ser utilizado. Com o intuito de redução no tamanho da sonda, buscou-se um transdutor pequeno. A opção adequada foi a tecnologia MEMS, pois apresenta características para uma construção compacta da sonda. Ainda, o transdutor deve apresentar alguns requisitos mínimos definidos para o desenvolvimento, como alcance de medição entre -50° e +50°, medições em dois eixos ortogonais entre si e, possibilitar o envio dos dados das medições por canal serial. Foram analisados três transdutores, sendo eles os inclinômetros MEMS SCA100TD01 e SCA100T-D02, ambos fabricados pela VTI Technologies e o acelerômetro MEMS ADXL330 fabricado pela Analog Devices (PENZ, 2013)..

(32) 32. Figura 12. Sonda utilizada e desenvolvida por Penz.. Fonte: Dissertação de mestrado – Rodrigo S. Penz, 2013.. O sistema proposto por Penz, para realizar a interface entre o operador e a sonda desenvolvida por ele, utilizou-se de uma IHM (Interface Homem Máquina) idealizada exclusivamente para o SADi (Sistema de Aquisição de Dados de Inclinação) que apresenta características específicas como fonte de alimentação por bateria, ergonomia para adequar-se a trabalhos em campo, conter teclado e tela (display), proporcionar comunicação sem fio com a sonda e com o PC, além de possuir memória para o armazenamento das medições realizadas (PENZ, 2013). Penz (2013) descreve que o SADi apresenta características inovadoras, que é o uso do PC diretamente como IHM. Ele descreve que as vantagens desta condição são a presença no PC de teclado, tela, ergonomia para trabalhos em campo, principalmente se utilizado um Tablet, presença de comunicação sem fio e grande espaço em memória, além do armazenamento de dados de modo definitivo. Entretanto o sistema de IHM, proposto por Penz, não comporta expansões como, por exemplo: x. Adição de novas tecnologias de comunicação serial. x. Adição de sensores, como umidade do solo. x. Adição de pluviômetro. x. Automação do sistema de excursão da sonda Para adequar a proposta de utilização do PC como IHM Penz desenvolveu uma placa. eletrônica que foi definida como placa FDC (fonte, driver e controle), responsável por realizar a interface entre a sonda e o PC (IHM), bem como fornecer a alimentação elétrica para a sonda. A placa FDC apresenta um microcontrolador PIC 16F876A, junto a um programa desenvolvido para o mesmo, de forma a possibilitar o condicionamento, o recebimento e a.

(33) 33. conversão do sinal serial enviado pelo inclinômetro SCA100T-D02, além de providenciar o envio dos dados das medições para o PC através de uma comunicação sem fio. Penz (2013) descreve que a comunicação definida entre a sonda e o microcontrolador é a SPI, visto ser o padrão de saída do SCA100T-D02. Nesta são necessárias quatro ligações elétricas para proceder à comunicação. Já a comunicação entre o microcontrolador e o PC é efetuada por intermédio de uma comunicação sem fio Bluetooth. Penz (2013) ainda informa que após definido o transdutor de inclinação realizou-se uma análise sobre os dimensionais das sondas comerciais, onde verificou a possibilidade de redução do comprimento de seu corpo, consequentemente com a redução da distância entre os rodízios superiores e rodízios inferiores. A vantagem que haveria com esta redução é o aumento do número de medições para um mesmo segmento quando comparado com uma sonda de comprimento maior. Ainda, é melhorada a condição de excursão da sonda pelo tubo guia em regiões que sofrem cisalhamentos entre as camadas de solo, evidenciando um local com ocorrência de uma curvatura com pequeno raio no tubo guia como é demonstrado através da Figura 13. Figura 13. Comparativo entre sonda desenvolvida por Penz (2013) e sondas. 0,1 5m. 0, 5. m. comerciais. Ra io 700 mm SONDA SADi. Ra io. 90 0. m m. SONDA COMPARATIVA. Fonte: Dissertação de mestrado Rodrigo S. Penz (2013).. Verifica-se através da Figura 13 que ocorre realmente uma condição de melhor excursão da sonda do SADi em tubos guias que sofreram uma condição de movimento transversal acentuado e localizado, embora nestes casos, quando é analisada a possibilidade de ocorrência de movimentos típicos de regiões de cisalhamento entre as camadas de solo é indicado a utilização de tubos guias de maior diâmetro (PENZ, 2013)..

(34) 34. 2.6 Inclinômetro Digital Os inclinômetros ou clinômetros são equipamentos desenvolvidos para a mensuração de ângulos de inclinação, elevação ou depressão de um objeto em relação à gravidade. No início da década de 1900, os inclinômetros eram constituídos de um tubo de vidro curvo preenchido com um líquido para o amortecimento de uma esfera de aço suspensa por um fio de aço o que proporcionava a visualização do ângulo indicado, conforme o modelo proposto por Da Vinci, exposto na Figura 14. Figura 14. Inclinômetro reconstruído do modelo de Da Vinci.. Fonte: http://www.inpe.br/exposicao/exposicao.php. Acesso em 3 nov. 2013.. Com o advento da tecnologia, o MEMS está rapidamente se tornando o novo padrão devido ao seu dimensional reduzido e o baixo custo, demonstrado na Figura 15. O princípio de seu funcionamento deve-se à criação de um plano horizontal artificial, o qual serve como base para o cálculo da inclinação do componente em relação a este plano. Figura 15. SCA100T inclinômetro de eixo duplo MEMS.. Fonte: http://www.murata.co.jp/products/sensor/pdf/sca100t_inclinometer.pdf. Acesso em 7 nov. 2013.. Os inclinômetros estão presentes em inúmeros equipamentos tanto pessoais quanto nas áreas médica e bélica. Às vezes pode passar despercebidos nos equipamentos de nosso.

(35) 35. cotidiano, como em equipamentos de telefonia celular o que apenas facilitam a interação com o equipamento; até no sistema de controle de estabilidade em automóveis, o que proporciona uma segurança maior no controle do veículo. Portanto, por este possibilitar a mensuração do deslocamento em relação ao seu eixo, pode-se utilizá-lo para a verificação no deslocamento de massas de solo, o que auxilia no monitoramento de taludes. De acordo com Penz (2013), entre três modelos analisados comparativamente (MEMS SCA100T-D01, SCA100T-D02 e ADXL330), foi definido o inclinômetro SCA100T-D02 para a sonda. Este inclinômetro faz parte da série SCA100T que é uma família de inclinômetros de eixo duplo dual-MEMS que proporciona qualidade na instrumentação para aplicações de nivelamento. Os eixos de medição dos elementos sensores são paralelos à montagem e ortogonais entre si. O sensor possui alta resolução, baixo ruído, baixa dependência da temperatura, juntamente com um design robusto para o elemento sensor e de fácil aquisição, tornando o SCA100T a escolha ideal para os instrumentos de nivelamento em desenvolvimento. Outra característica muito importante deste inclinômetro é não sensibilidade à vibração, devido a seus elementos sensores mais amortecidos, podendo suportar choques mecânicos de até 20.000g. As características técnicas deste equipamento são demonstradas na Tabela 2. Tabela 2. Características do sensor SCA100T. Função. Característica Elétrica. Quantidade de Eixos. Medição da inclinação do eixo duplo (X e Y). Faixa de Medição. ± 30 ° SCA100T-D01 e ± 90 ° SCA100T-D02. Resolução Analógica. 0,0035 ° (10 Hz BW). Sistema de Amortecimento. Amortecido para respostas de frequência (-3dB 18Hz). Resistência a Choque. Design robusto, alta durabilidade a choque (20000g). Estabilidade. Alta estabilidade ao longo do tempo e temperatura. Saídas. Analógica de tensão raciométrica para inclinação e digital (SPI) das medições da inclinação e da temperatura. Recursos de Detecção de Falhas. Sim. Auto teste do sistema de medição Sim da inclinação Fonte: Datasheet do sensor SCA100T..

(36) 36. A Figura 16 demonstra o diagrama de blocos interno do SCA100T, instruindo sobre as possibilidades para a utilização no desenvolvimento desse projeto. Assim, pode-se verificar a existência de módulos que devem ser utilizados impreterivelmente como: elemento sensor 1 e 2, memória EEPROM e outros opcionais, como o conversor A/D juntamente com interface de comunicação serial SPI (Serial Peripheral Interface). Figura 16. Diagrama em blocos do funcionamento do SCA100T.. Fonte: Adaptado do Datasheet do componente.. O SCA100T-D02 é um acelerômetro desenvolvido propriamente para operar como inclinômetro, que possibilita medições de inclinação em dois eixos perpendiculares entre si e de forma independente, denominados de eixo X e eixo Y. Ainda, o SCA100T-D02 apresenta a sua referência de medição angular ao eixo vertical gravitacional, tendo como sua referência física construtiva a base de seu invólucro. Assim, a variação da medida de inclinação ocorre com a inclinação do encapsulamento do mesmo. Com relação ao sinal elétrico de saída fornecido pelo SCA100T-D02, são disponibilizados dois sinais analógicos, onde sua tensão varia de amplitude com relação à variação do ângulo do invólucro para eixo X e eixo Y e também um sinal digital, através de seu canal serial. O SCA100T-D02 apresenta a possibilidade de medições entre -90° e +90° em seus dois eixos, conforme demonstrado através da Figura 17 (PENZ, 2013)..

(37) 37. Figura 17. Comparativo entre inclinação e sinais eletrônicos emitidos. Vista superior. Sentido negativo ângulo mínimo = -90º. Vista lateral. Referência ângulo = 0º. Vista frontal. Sentido positivo ângulo máximo = +90º. EIXO X. EIXO Y. Sinal Analógico (V). mínimo=0,5 V. = 2,5 V. máximo=4,5 V. Sinal digital (Bit). mínimo=0. =1024. máximo=2048. Fonte: Adaptado do Datasheet do componente.. Uma característica importante do SCA100T é a sua condição de não poder atingir as medições angulares extremas de seu alcance para a mesma aplicação, ou seja, em um mesmo eixo realizar medições desde -90° até +90°. O ângulo máximo de medição do SCA100T-D02 pode ser definido através da divisão da tensão máxima de excursão do sinal de saída que é de 4V pela sensibilidade analógica angular que é de 35 mV/°, resultando em 114,28°, ou seja, se for necessária a aplicação de um sistema de medição com zero central, o alcance do sistema será de -57,14° até +57,14°. Essa situação não desqualifica o SCA100T-D02 da sua aplicação, pois os limites de medições foram estipulados em ±50° (PENZ, 2013). Para a utilização da Equação 1, tem-se o ângulo "Fi" determinado pelo arcoseno do número de bits menos significativos da palavra digital "Bout", subtraído do número de bit para ângulo zero "Boffset" que é de 1024 e dividindo este resultado pela sua sensibilidade, "sensibilidade" que é de 819. Para a aplicação de qualquer um dos extremos da palavra digital de 2048 na Equação 1 um erro matemático ocorre, já que o valor da divisão dos elementos dentro dos parênteses da equação será maior que um (PENZ, 2013). ‫ ݅ܨ‬ൌ ܽ‫݋݊݁ݏܿݎ‬ሺሺ‫ ݐݑ݋ܤ‬െ ‫ݐ݁ݏ݂݂݋ܤ‬ሻȀ‫݈ܾ݁݀ܽ݀݅݅݅ݏ݊݁ݏ‬ሻ. (1). A Equação 1 somente será válida se o numerador da divisão for menor ou igual a 819. Logo, se 2048 totalizam o alcance da medição em 143,36°, então para 819 para cada sentido de medição é totalizado 1638 e aplicando um cálculo de regra de três simples o valor do.

(38) 38. alcance de medição passa a ser de 114,66°, ou seja, o mesmo valor do alcance definido pelo sinal analógico que é de 114,28°.. 2.7 Sistema de Aquisição e Tratamento de Dados (Data Logger) No mundo atual, os processos físicos nas mais diversas áreas científicas, industriais, médicas, entre outras, dependem fortemente do conhecimento e do monitoramento de grandezas físicas a eles associadas. Na indústria mecânica, por exemplo, o controle de robôs e de outras máquinas não seria possível sem dados exatos sobre suas condições de funcionamento (MCGRAW-HILL, 1988). A evolução da tecnologia dos conversores A/D (analógico para digital) e a popularização dos computadores fizeram dos circuitos de aquisição de dados uma excelente opção para sistemas deste tipo. Os computadores por sua vez, interagem com todas essas configurações, por isso é uma das plataformas de controle mais usadas em aplicações de aquisição de dados. (FRANÇA, 1997) O sistema de aquisição de dados deve fornecer informações detalhadas e exatas sobre um determinado processo ao usuário, para que este possa avaliá-lo e/ou controlá-lo (FRANÇA, 1997). Para tal, propõe-se a utilização de um modelo de sistema de aquisição de dados mostrado na Figura 18, o qual demonstra que para a aplicação de um processo existem entradas que devem ser medidas por sensores. Esses valores devem ser acondicionados em um banco de dados, que por sua vez, serão convertidos para valores digitais, assim possibilitando uma análise lógica e/ou aritmética realizada pelo processador. De acordo com a lógica pré-definida, convertem-se estes dados digitais para saídas analógicas e/ou de estado, as quais acionarão os atuadores que devem interferir no processo de acordo com o préestabelecido. Figura 18. Modelo de um sistema de aquisição de dados.. Fonte: http://www.smar.com/uploads/images/2011-12-30_1.png. Acesso em 16 nov. 2013 (Adaptada)..

(39) 39. 2.8 Microcontrolador do Data Logger É usual ter em um único circuito, vários circuitos integrados responsáveis pela aquisição de dados, denominados de sensores, que são controlados pela lógica do circuito integrado. Para tal controle, necessita-se de um componente capaz de gerir as informações adquiridas pelo sensor. Esta tarefa é desenvolvida em pleno pelo microcontrolador, este componente é também conhecido por MCU (Microcontroller Unit), mostrado na Figura 19. Figura 19. Microcontrolador.. Fonte: Própria.. O MCU é realmente um computador em um único circuito integrado. Esta denominação deve-se ao fato de um microcontrolador possuir um processador, memória, periféricos de entrada e de saída além de alguns hardwares específicos. A principal característica do microcontrolador é o fato deste ser capaz de realizar tarefas previamente programadas, pois dispõe em sua base, um sistema de lógica programável e este se torna capaz de realizar tarefas lógicas e cálculos matemáticos atendendo assim as necessidades mais diversas. Por este motivo, ele é um dispositivo de alto poder na eletrônica digital e será um dos principais, se não o mais importante circuito integrado utilizado neste projeto. Assim, o MCU utilizado é o PIC18F87K22 com tecnologia nanoWatt XLP, este microcontrolador de 8bits é adequado para aplicações com limitações de potência e movidos a bateria desenvolvido para aplicações automotivas e industriais exigentes. Dispõe de periféricos adicionais, tais como um A/D de 12bits. Mas o ponto fundamental da escolha é o módulo RTCC (Real-Time Clock/Calendar) interno com cristal exclusivo e os dois módulos de USART, além de porta para comunicação serial SPI para a comunicação com o SD Card. A Tabela 3 demonstra as características gerais do microcontrolador utilizado..

(40) 40. Tabela 3. Características do PIC18F87K22. Função. Característica Elétrica. Modos de operação. - Run: CPU ligado, periféricos ligados - Idle: CPU desligado, periféricos ligados - Sleep: CPU desligado, periféricos desligados. Características Especiais. Tensão de operação: 1.8V até 5.5V Velocidade de operação 64 MHz Dois módulos Master Synchronous Serial Port (MSSP) - 3/4-wire SPI (supports all four SPI modes) Dois módulos USART Conversor A/D de 12-Bit com até 24 canais. Consumo. - Run 5.5 μA - Idle 1.7 μA - Sleep 20 nA - RTCC 700 nA Fonte: Datasheet do sensor SCA100T.. 2.9 Comunicação serial A comunicação serial é a forma atualmente mais difundida para a troca de informações entre módulos ou circuitos eletrônicos. Para a realização da comunicação do microprocessador e o cartão de memória é necessário utilizar a comunicação SPI (Serial Peripheral Interface), já para a comunicação do Data Logger com a sonda, utilizou-se da comunicação USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter). A SPI é uma porta de entrada ou saída serial de alta velocidade síncrona que envia ou recebe um conjunto de bits de comprimento definido e velocidade programável entre dispositivos. A SPI é normalmente utilizada para comunicações entre o dispositivo e os periféricos. Tipicamente as aplicações incluem interfaces externas de entradas e saídas ou expansões como, shift registers, display drivers, SPI, EPROMS e A/D (Texas Instruments, 2012). Conforme Pereira (2004), o SPI foi desenvolvido originalmente pela Motorola e adotado por diversos fabricantes ao longo do tempo e conta com uma interface física constituída pelas seguintes linhas:.

(41) 41. x. CS ou SS: Chip Select (Seleção de Dispositivo): é utilizada para selecionar ou habilitar o dispositivo com o qual se deseja comunicar e também para encerrar a execução dos comandos transmitidos pelo dispositivo mestre;. x. Clock ou SCLK: utilizada para sincronização entre o dispositivo mestre (aquele que gera o sinal de clock) e o dispositivo escravo (o que recebe o clock). O protocolo especifica que esse sinal deve ser simétrico (tempo igual ao tempo baixo), devendo a informação de saída estar disponível no mínimo 30ns antes da borda de subida do clock e lida até 30ns antes da borda de descida do clock;. x. SI ou MOSI: Serial In (Entrada Serial): linha de recepção de dados;. x. SO ou MISO: Serial Out (Saída Serial): saída de dados dos dispositivos. A transmissão dos dados entre os componentes que utilizam da comunicação serial. SPI, segue o princípio de que existe um mestre e no mínimo um escravo, sendo possível adicionar vários escravos. Para tal existe o pino SS disponível para a seleção de qual escravo a comunicação estará ativa. Os demais pinos são ligados em paralelo entre todos os escravos da rede. Na Figura 20, pode-se verificar a necessidade de uma linha de clock e duas de dados, uma de envio e outra de retorno. Figura 20. Conexão entre Mestre e Escravo. Fonte: Adaptada do modelo Datasheet..

(42) 42. A maioria dos protocolos de comunicação não especifica os padrões elétricos dos sinais. Por este motivo os órgãos internacionais de padronização, tais como ANSI, EIA e ITU, desenvolveram protocolos ou padrões elétricos de comunicação, que foram e continuam sendo adotados para as tarefas de comunicação de dados (PEREIRA, 2004). A interface escolhida para a comunicação do Data Logger desenvolvido com a placa de controle da sonda de Penz é a TIA/EIA-232-F. Assim a USART – formato mais tradicional de comunicação serial de dados – é a base para que o circuito integrado MAX232 possa realizar a padronização do sinal elétrico entre os equipamentos e desta forma minimizando os riscos de erros na comunicação gerados por ruídos induzidos e ou conduzidos. O TIA/EIA-232-F revisão 2.8 tem como padrão aceitar sinais de comunicação de entrada variando de ±30V. Entretanto os sinais de envio e recebimento dos dados via MAX232 estão entre -15V para nível lógico baixo, e +15V para sinais de nível lógico alto. Desta forma, a USART tem como característica principal a necessidade de apenas dois fios para realizar a comunicação, onde se utiliza dois pinos, um TX que representa a saída ou transmissão dos dados, e outro RX que representa a entrada ou recebimento dos dados, por se tratar de uma comunicação serial que comumente é configurada na forma assíncrona. O circuito básico comumente utilizado pode ser visualizado na Figura 21. Figura 21. Circuito base MAX232. Fonte: Adaptada do modelo Datasheet..